第二章 單片機(jī)芯片硬件結(jié)構(gòu)

第二章單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳振蕩器及定時(shí)電路4KB程序存儲(chǔ)器128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器CPU64KB總線控制擴(kuò)展器可編程I/O可編程串行口中斷中斷頻率基準(zhǔn)源計(jì)數(shù)器控制并行I/O口串行輸入串行輸出邏輯結(jié)構(gòu)一個(gè)8位CPU；4KB程序存儲(chǔ)器（8031無ROM）；128B通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；22個(gè)特殊功能寄存器（SFR）；4個(gè)8位并行口；一個(gè)可編程全雙工串行口；具有5個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)；兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；一個(gè)片內(nèi)振蕩器與時(shí)鐘電路。中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制，指揮和調(diào)整整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。

CPU由運(yùn)算器和控制器組成主要包括：算術(shù)邏輯單元（ALU）累加器（ACC）B寄存器程序狀態(tài)字（PSW）兩個(gè)暫存寄存器運(yùn)算器:對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算主要包括：定時(shí)控制邏輯指令寄存器（IR）指令譯碼器程序計(jì)數(shù)器（PC）PC加1寄存器堆棧指針（SP）數(shù)據(jù)指針（DPTR）控制器：協(xié)調(diào)各部分工作內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

80C51中共有256個(gè)RAM單元，但其中后128個(gè)單元被專用寄存器占用，供用戶使用的只是前128個(gè)單元，作用是存放運(yùn)算的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)的暫存。地址為00H～7FH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器

80C51的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為4KB，用于存放程序代碼和原始數(shù)據(jù)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器

80C51片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能，并可以根據(jù)定時(shí)或計(jì)數(shù)的結(jié)果對單片機(jī)進(jìn)行控制。并行I/O口

80C51共有4個(gè)8位的并行I/O口，P0~P3，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外界交換信息。串行口

80C51內(nèi)部具有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其它數(shù)據(jù)設(shè)備如上位計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞。中斷控制系統(tǒng)80C51內(nèi)部共有5個(gè)中斷源，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。時(shí)鐘電路

80C51內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但晶振和微調(diào)電容需外接，典型晶振頻率為12MHz。也可直接引入外部脈沖信號(hào)。位處理器（布爾處理器）

單片機(jī)主要用于控制，需要有較強(qiáng)的位處理功能。故與字節(jié)處理器相對應(yīng)，還特別設(shè)置布爾（位）處理器。主要包括：Cy：進(jìn)位標(biāo)志位、位尋址寄存器、位尋址RAM、位尋址的并行I/O口、位操作指令系統(tǒng)。總線

單片機(jī)內(nèi)部通過總線相連接?？偩€中傳送的信號(hào)包括：地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)。信號(hào)引腳

40條引腳雙列直插封裝（DIP）主電源引腳Vcc和VssVcc（+5V）電源輸入端Vss（GND）共用接地端時(shí)鐘振蕩電路引腳XTAL1和XTAL2當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，外接晶振和微調(diào)電容，振蕩頻率為晶體振蕩頻率，振蕩信號(hào)送至內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。RST/VPDRST:復(fù)位信號(hào)輸入端，保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平復(fù)位。VPD:內(nèi)部RAM備用電源輸入端。ALE/PROGALE:地址鎖存控制信號(hào)PROG:對8751內(nèi)部EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端。ALE地址鎖存控制信號(hào)存取片外存儲(chǔ)器時(shí)，實(shí)現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。也可用作外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用，為六分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖。8051P0P2鎖存器ALE8位數(shù)據(jù)低8位地址高8位地址PSENPSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。當(dāng)訪問外部ROM時(shí)，產(chǎn)生負(fù)脈沖作為外部ROM的選通信號(hào)；當(dāng)訪問外部RAM或內(nèi)部ROM時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生有效的PSEN信號(hào)。EA/VPPEA:訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)EA=0：訪問外部ROM；EA=1：先內(nèi)部ROM，地址超過4KB，延續(xù)至外部ROM。VPP:對8751內(nèi)部EPROM編程時(shí)的編程電源輸入端。輸入/輸出口P0.0~P0.7P0口8位雙向口線用于輸出地址和數(shù)據(jù)P1.0~P1.7P1口8位雙向口線一般的輸入輸出口P2.0~P2.7P2口8位雙向口線外部存儲(chǔ)器的地址高8位輸出口

P3.0~P3.7P3口8位雙向口線雙功能口信號(hào)引腳的第二功能P3口線的第二功能編程脈沖：30腳(ALE/PROG)

編程電壓(25V)：31腳(EA/VPP)備用電源引入：9腳(RST/VPD)口線

第二功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0申請P3.3INT1外部中斷1申請P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通2.2 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳述內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部程序存儲(chǔ)器并行輸入/輸出口時(shí)鐘電路復(fù)位電路2.2.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51內(nèi)部RAM共有256個(gè)單元，這256個(gè)單元共分為兩部分：低128個(gè)字節(jié)：00H—7FH單元，用戶數(shù)據(jù)RAM。高128個(gè)字節(jié)：80H—FFH單元，特殊功能寄存器（SFR）單元。寄存器區(qū)位尋址區(qū)用戶RAM區(qū)專用寄存器區(qū)寄存器區(qū)

內(nèi)部RAM的前32個(gè)字節(jié)作為寄存器使用，共分為4組，每組含8個(gè)寄存器，在組中按R0~R7編號(hào)。地址：00H～1FH單元。由PSW中的RS0~RS1位的狀態(tài)組合決定是哪一組。通用寄存器有兩種用法：

MOVA，R0和MOVA，00H

位尋址區(qū)

片內(nèi)20H～2FH，位地址：00H~7FH

用戶RAM區(qū)

供用戶使用的一般RAM區(qū)，其單元地址為30H～7FH單元。對于用戶RAM區(qū)，只能以存儲(chǔ)單元（字節(jié)地址）的形式來使用，在一般應(yīng)用中常把堆棧開辟在此區(qū)中。

專用寄存器區(qū)MCS-51有22個(gè)專用寄存器，其中21個(gè)被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H—FFH地址中，這些寄存器的功能已作了專門的規(guī)定，用戶不能修改其結(jié)構(gòu)。專用寄存器，也稱為特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR），用于控制、管理單片機(jī)內(nèi)部算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作。SFR:標(biāo)識(shí)符號(hào)地址寄存器名稱標(biāo)識(shí)符號(hào)地址寄存器名稱ACC0E0H累加器PCON87H波特率選擇寄存器B0F0HB寄存器SCON98H串行口控制寄存器PSW0D0H程序狀態(tài)字SBUF99H串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SP81H堆棧指針TCON88H定時(shí)控制寄存器DPTR82H、83H數(shù)據(jù)指針（16位）含DPL和DPHTMOD89H定時(shí)器方式選擇寄存器IE0A8H中斷允許控制寄存器TL08AH定時(shí)器0低8位IP0B8H中斷優(yōu)先控制寄存器TH08CH定時(shí)器0高8位P080HI/O口0寄存器TL18BH定時(shí)器1低8位P190HI/O口1寄存器TH18DH定時(shí)器1高8位P20A0HI/O口2寄存器P30B0HI/O口3寄存器主要寄存器：程序計(jì)數(shù)器PC(programCounter)

PC中的數(shù)據(jù)為將要執(zhí)行的指令地址。累加器ACC(Accumulator)

累加器為8位寄存器，地址為：E0H。用于存放操作數(shù)，是ALU輸入的一個(gè)重要來源。是ALU運(yùn)算結(jié)果的暫存單元，用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果。是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g站，單片機(jī)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送都通過累加器進(jìn)行。在變址尋址方式中把累加器作為變址寄存器使用。寄存器B

8位寄存器，地址為：F0H,主要用于乘除運(yùn)算。

乘法運(yùn)算：乘積的高8位存于B中，低8位存于A中。除法運(yùn)算：B為除數(shù)，運(yùn)算后，B為余數(shù)，A為商值。例如：

MULAB；A*B-->(BA)B中放高8位數(shù)據(jù)，A中放低8位數(shù)據(jù)。

DIVAB；A/B-->(A)商值

(B)余數(shù)位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/P定義進(jìn)位標(biāo)志輔助進(jìn)位用戶標(biāo)志寄存器組選擇位溢出奇偶程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)8位寄存器，用于寄存指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。PSW的各位定義如下：CY（PSW.7）：進(jìn)位標(biāo)志位AC（PSW.6）：輔助進(jìn)位標(biāo)志位F0（PSW.5）：用戶標(biāo)志位四組通用寄存器與RS1RS0對應(yīng)關(guān)系表：RS1RS0寄存器組片內(nèi)RAM地址對應(yīng)寄存器00

組0

00～07HR0～R701組108～0FHR0～R710組210～17HR0～R711組318～1FHR0～R7RS1和RS0（PSW.4和PSW.3）：工作寄存器組選擇位OV（PSW.2）：溢出標(biāo)志位符號(hào)數(shù)的加減運(yùn)算：OV＝1表示加減運(yùn)算的范圍超出了A所表達(dá)的符號(hào)數(shù)范圍：－128～＋127乘法運(yùn)算：OV＝1乘積超過255，即乘積分別在B與A中。P（PSW.0）：奇偶校驗(yàn)位數(shù)據(jù)指針DPTR

16位寄存器，在訪問外部64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作地址指針用。DPTR為16位，可分為兩個(gè)8位寄存器DPHDPTR高位字節(jié)，8位DPLDPTR低位字節(jié)，8位

堆棧操作特點(diǎn)：后進(jìn)先出；功能：保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場定義：堆棧指示器SP是一個(gè)8位寄存器，用來指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM中的位置；初始化：系統(tǒng)復(fù)位后，SP的初始值為07H，使得堆棧實(shí)際上是從08H開始的。但08H—1FH隸屬1—3工作寄存器區(qū)，因此必須對堆棧指針SP進(jìn)行初始化，一般設(shè)在30H—7FH之間較為適宜。操作方法：自動(dòng)方式；人工指令方式。單片機(jī)具有64kB程序存儲(chǔ)器尋址空間，根據(jù)類型的不同，其內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的分布也不同：31系列：片內(nèi)無ROM，EA端接地。51系列：片內(nèi)有4KROM，EA接高電平。52系列：片內(nèi)有8KROM，EA接高電平。

單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。

另外0003H—002AH這40個(gè)單元各有用途，它們被均勻地分為五段，其定義如下：

0003H—000AH

外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH—0012H

定時(shí)/計(jì)數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H—001AH

外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH—0022H

定時(shí)/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H—002AH

串行中斷地址區(qū)。2.2.2 MCS-51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器

一是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器分開，二是存儲(chǔ)器有內(nèi)外之分。MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)ROM0FFFFH1000H0FFFH0000H0000H0FFFHEA=1EA=0片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器80H0FFH7FH00H0FFH80H片內(nèi)RAM（80c52/80C32)片內(nèi)RAM特殊功能寄存器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器0000H0FFFFHRAM

單片機(jī)端口是一個(gè)集數(shù)據(jù)輸入緩沖，數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)及鎖存等多項(xiàng)功能于一體的I/O口。MCS-51單片機(jī)有四個(gè)8位的并行雙向I/O口，分別記做P0，P1，P2，P3。P0口一個(gè)輸出鎖存器；兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器；一個(gè)多路轉(zhuǎn)接器,實(shí)現(xiàn)I/O與地址/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；兩只FET輸出驅(qū)動(dòng)2.2.3 MCS-51單片機(jī)的并行輸入/輸出口P1口